Erfahrungen bei der Herstellung und Nutzung stereolithographisch erzeugter Modelle im Bereich der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie 1

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1 Erfahrungen bei der Herstellung und Nutzung stereolithographisch erzeugter Modelle im Bereich der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie 1 Dipl.-Ing. J. Hoffmann, Prof. Dr.-Ing. habil. D. Fichtner, Dr. med. E. John 1 Einführung Seit dem Beginn des Einsatzes der Stereolithographieanlage an der TU Dresden wird an der Erschließung und der Optimierung von Einsatzfeldern für die mit Hilfe dieses Verfahrens erzeugten Modelle uns Prototypen gearbeitet. Ein wesentliches Arbeitsgebiet ist die Herstellung von medizinischen Modellen. Die hierbei gesammelten Erfahrungen sollen im Rahmen dieses Berichtes zusammenfassend betrachtet werden. Auf Grund der Komplexität der anatomischen Gegebenheiten bietet sich besonders der Bereich der Mund-, Kieferund Gesichtschirurgie für einen Einsatz der Modelle an. Fertigung medizinischer Modelle Grundprinzip Aufbauend auf den Erfahrungen bei der Realisierung technischer Anwendungen ergab sich die Möglichkeit, auch medizinische Modelle zu fertigen. Speziell im Bereich der Mund-, Kieferund Gesichtschirurgie sind auf Grund des menschlichen Knochenbaues sehr komplizierte Strukturen vorhanden. Seit dem Beginn der achtziger Jahre besteht bereits die Möglichkeit auf der Basis von Computer- oder Kernspintomographiedaten physische Modelle mit Hilfe spanender Verfahren zu erzeugen. Diese Technologie besitzt jedoch wesentliche Grenzen bei der Herstellung von Modellen aus dem Kiefer- und Schädelbereich. So ist es nicht möglich, knocheninterne Strukturen (z.b. Nervenkanäle oder Tumore) oder sehr filigrane Knochenbereiche zu visualisieren. An dieser Stelle setzen die Möglichkeiten der Verfahren des Rapid Prototyping (und speziell der Stereolithographie) an. Durch die generative Fertigung der Teile können Hohlräume in die 1 Inhaltliche Schwerpunkte der Vorträge: Fichtner, D.; Hoffmann, J.; John, E.: Experiences in Fabrication and Using of Stereolithography Models on the field of Mouth, Jaw and Face Surgery. In: Proceedings of the First International Conference on Rapid Prototyping & Manufacturing 98, Beijing, China, July 21-23, 1998, S und Fichtner, D.; Hoffmann, J.: Fabrication of stereolithography Models A summery of case studies on the field of mouth, jaw and face surgery. In: Proceedings of the 7 th European Conference on Rapid Prototyping, Paris, France, November 19./20., 1998

2 Modelle integriert werden, die durch die Transparenz der verwendeten Materialien auch erkennbar sind. Computertomographie Kernspintomographie Beschreibung von Knochen, z.b. Hüfte, Kiefer, Schädel Beschreibung von Organen, Weichteilen, z.b. Herz und Lunge Bild 1: Einsatzgebiete für Computer- und Kernspintomographie Im Unterschied zur Mehrzahl der technischen Applikationen basiert die Herstellung medizinischer Modelle auf den in Grauwertaufnahmen enthaltenen Informationen. Diese mit Hilfe von Computer- oder Kernspintomographen (Bild 1) erstellten Bilder liegen im Pixelformat vor. Jedem Pixel der Aufnahme ist ein bestimmter Grauwert zugeordnet. Dieser Grauwert enthält die Informationen über die Art des entsprechenden Gewebes. Schritt 1 Schritt 2 Schritt 3 Grauwertaufnahme (Eingangsbild) Grauwertaufnahme mit berechneten Grenzkonturen Schritt 4 berechnete Grenzkonturen Außenkonturen Innenkontur selektierte Grenzkonturen für den Bauprozeß Bild 2: Ablauf der Datenaufbereitung bei Verwendung von Grauwertaufnahmen

3 Für die Durchführung der Modellfertigung macht sich eine Überführung der Pixeldaten in vektororientierte Informationen erforderlich (Bild 2). Für die Datenübergabe werden folgende Schnittstellen verwendet: Die Stereolithographie-(STL-)Schnittstelle (Eine geschlossene Beschreibung der Oberfläche der Teile mittels Dreiecksfacetten im dreidimensionalen Raum); Das Common Layer Interface (CLI-Schnittstelle, Übergabe der Grenzkonturen in den einzelnen Bauschichten der generativen Fertigungsverfahren); Auf Grund der bei den Aufnahmeverfahren verwendeten physikalischen und technischen Grundprinzipien unterscheiden sich nicht nur die Qualität der erzeugten Daten sondern auch die fertigbaren Organe und Strukturen. Modelle auf der Basis von Computertomographiedaten Die Computertomographie (CT) ermöglicht schwerpunktmäßig die Darstellung von Knochen und verknöcherten Strukturen. Die Weichteile können nur in einem sehr begrenzten Umfang in den Aufnahmen identifiziert werden. Entsprechend dieser Charakteristik konzentriert sich auch die auf diesen Daten basierende Modellfertigung auf die Knochenstrukturen. Der Einsatz von CT-Daten für die Modellfertigung konzentriert sich an der TU Dresden besonders auf den Bereich der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie. Bei den dabei relevanten Strukturen sind die Vorteile besonders der Stereolithographie von wesentlicher Bedeutung. Die üblicherweise verwendeten CT-Aufnahmen haben folgende Eigenschaften: 512 x 512 Pixel pro Bild; 4096 Grauwertstufen; min. 2,0 mm Aufnahmeabstand (bedingt durch Strahlenbelastung des Patienten); Die Umsetzung der CT-Daten in physische Modelle besitzt besonders bei der datentechnischen Handhabung eine Reihe von Fehlerquellen: großer Abstand der Bauschichten im Vergleich zu den späteren Bauschichtstärken (bei der Stereolithographie meist 0,2... 0,25 mm) fi Interpolation von zusätzlichen Schichten auf der Basis der vorhandenen Informationen erforderlich; Zahneinlagen können infolge des gegenüber den CT-Strahlen bestehenden Reflexionsverhaltens zu Störungen in den Aufnahmen (den sogenannten Artefakten) führen (Bild 3) fi diese Datenfehler müssen zur Zeit manuell aus den Aufnahmen entfernt werden;

4 Bild 3: CT-Aufnahme vor und nach der Bearbeitung der Artifakte die Wiedergabe des Gewebes in den verschiedenen Grauwertstufen erfolgt auf Grund einer Reihe von Einflußgrößen; daraus resultiert, daß die Zuordnung der Grauwerte zu den einzelnen Gewebearten nicht identisch ist (Bild 4) fi die Auswahl der Abgrenzung zwischen den Knochengewebe und dem umgebenden Gewebe erfolgt manuell auf Grund des vorhandenen Erfahrungswissens; Bild 4: CT-Aufnahme vor und nach der Bearbeitung der Artifakte Interpolation der Schichtinformationen bereits bei der Aufnahme speziell beim Einsatz von Spiral-CT-Systemen durch die gleichzeitige Bewegung von Patient und Aufnahmesystem (Bild 5) fi Interpolationsfehler in den einzelnen Aufnahmen;

5 Bild 5: Datentechnische 3D-Rekonstruktion auf der Basis der vorhandenen CT- Aufnahmen Diese Fehlerquellen führen zu einem zum Teil erheblichen zusätzlichen manuellen Aufwand in der Datenaufbereitung. Eine Verbesserung der Qualität der Ausgangsinformationen durch eine Verringerung des Schichtabstandes ist derzeit auf Grund der Belastung des Patienten durch die verwendeten Strahlen nicht möglich. Hier sind Weiterentwicklungen von Seiten der Systemhersteller erforderlich, die zu einer Verringerung der erforderlichen Strahlendosis führen. Für die Beseitigung der Datenfehler und die Verbesserung der Abgrenzung der betreffenden Strukturen auf der Basis der Grauwerte sind weitere Entwicklungen auf dem Softwaresektor erforderlich. Modelle auf der Basis von Kernspintomographiedaten Die Kernspintomographie (MRT) ermöglicht im Unterschied zur Computertomographie die Darstellung von Weichteilen. Knochen bzw. verknöcherte Strukturen können hingegen in den Aufnahmen nicht identifiziert werden. Auf Grund der Charakteristik der im Rahmen des MRT-Verfahrens genutzten physikalischen Gesetzmäßigkeiten ist ein geringerer Abstand der Aufnahmeschichten realisierbar. Damit ist eine Verbesserung der Qualität der Daten unter diesem Aspekt möglich.

6 Bild 6: Modell auf der Basis von Kernspintomographiedaten Im Gegensatz zum CT wird bei den MRT- Scannern häufig nur mit einer Auflösung von 256 x 256 Bildpunkten gearbeitet. Dies führt wiederum zu einem Informationsverlust im Unterschied zum CT. Diese geringere Auflösung führt zu Problemen bei sehr filigranen Konturen sowie zu einer schlechteren Oberflächenqualität der Modelle. Trotz dieser Einschränkungen besteht die Möglichkeit, auch auf der Basis von MRT- Daten im medizinischen Alltag nutzbare Modelle zu erzeugen (Bild 6). Einsatz der Modelle Im Rahmen der medizinischen Anwendungen sind folgende Schwerpunkte Gegenstand der Forschungsarbeiten: Durchführung von Modelloperationen mit verbesserten Möglichkeiten zur Operationsplanung, zur Festlegung des operativen Zugangsweges im Ergebnis der genauen Wiedergabe anatomischer Strukturen Verbesserte präoperative Auswahl von Implantaten oder Transplantaten Die Bedeutung des Einsatzes von Modellen liegt in der Verkürzung der erforderlichen Operationszeit (und in einer damit verbundenen Verringerung der Belastung für den Patienten) sowie in der verbesserten Implantat- und Transplantatgenauigkeit. 2 Herstellung und Nutzung medizinischer Modelle an der TU Dresden Am Institut für Produktionstechnik der Technischen Universität Dresden ist seit Januar 1993 ein Stereolithographiesystem verfügbar. Im Rahmen der Zusammenarbeit zwischen Produktionstechnikern, Medizinern und Radiologen wurden speziell im Bereich der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie eine Reihe von Anwendungen sowohl bei der Operationsvorbereitung als auch bei der Herstellung von speziellen medizinischen Geräten realisiert. Die Datennutzung konzentriert sich zur auf CT-Aufnahmen. Diese werden mit Hilfe eines Somatom-Scanners der Firma SIEMENS erzeugt. Die Datenaufbereitung erfolgt mit Hilfe der entsprechenden Software der Firma Materialise. Seit diesem Zeitpunkt wurden ca. 25 Ganz- bzw. Teilschädelmodelle und etwa 30 ober- oder Unterkiefermodelle hergestellt. Bei der dazu erforderlichen Datenaufbereitung hat sich der enge Kontakt zwischen dem behandelnden Arzt und dem Applikationstechniker der RP- Anlage als sehr günstig erwiesen. Damit konnte bereits am Bildschirm eine Optimierung der Modellbauqualität durch eine gezielte Auswahl der Grenzen zwischen darzustellender Struktur und Umgebungsgewebe sowie eine, auf dem Erfahrungswissen der Mediziner basierende Fehlerkorrektur (Artifakte) erreicht werden.

7 Darüber hinaus wurden einzelne Modelle verschiedener anderer Bereiche des menschlichen Knochenbaues hergestellt. MRT-Daten wurden bisher versuchsweise in ca. 5 Modelle umgesetzt. Hierbei handelt es sich noch im Voruntersuchungen für einen routinemäßigen Einsatz. 3 Zusammenfassung Die Herstellung medizinischer Modelle mit Hilfe der Verfahren des Rapid Prototypings (und speziell mit der Stereolithographie) ermöglicht völlig neue Perspektiven bei der Vorbereitung und Durchführung der Behandlung. Trotz aller aufgezeigter Probleme und Schwierigkeiten ergeben sich bereits jetzt wesentliche Vorteile bei der Durchführung der erforderlichen Behandlungen. Dazu gehören besonders die Verringerung der Belastung der Patienten durch eine mögliche Verkürzung der erforderlichen Operationszeit in Verbindung mit Optimierung des Operationsergebnisses. Dies führt zu einer wesentlichen Beschleunigung des Handlungsprozesses. Ein sehr interessanter Fakt ist die damit verbundene Reduzierung der entstehenden Behandlungskosten, die derzeit speziell in Deutschland auf dem Prüfstand stehen. Weiterhin wird die Diagnosesicherheit verbessert sowie die Qualität der erforderlichen Transplantate und Implantate erhöht. Gleichzeitig kann auch auf diesem Gebiet eine Kostenreduktion erreicht werden. 4 Literatur Lit. 1 Gebhardt, A.: Rapid Prototyping. Carl Hanser Verlag München, 1995 Lit. 2 Hoffmann, J.: Fertigungsinformatik. Automatisierte Modellfertigung. 4. Studienbrief. Dresden: TU Dresden, Ausgabe 1997 Lit. 3 Lit. 4 Jacobs, P.F.: Rapid Prototyping & Manufacturing Fundamentals of Stereolithography, Dearborn, SME, USA, 1992 Kochan, D.: Solid Freeform Manufacturing - Advanced Rapid Prototyping, Amsterdam 1993